(57)【要約】【課題】騒音の発生が抑制された圧電ポンプ装置および圧電ポンプ装置の駆動方法を提供する。【解決手段】圧電素子を有するダイアフラムＤｐを備えた圧電ポンプＰ１と、圧電ポンプＰ１を駆動する駆動手段と、２つの矩形波駆動信号Ｖ１、Ｖ２を前記駆動手段に供給して駆動手段の動作を制御する制御手段ＣＴＲと、を備えた圧電ポンプ装置であって、駆動手段は、圧電素子の駆動開始時に正方向または負方向に一定の傾きで駆動電流Ipを増加させるとともに、圧電素子の電圧が所定の電圧に近づいたとき、圧電素子の充放電電流を緩やかに減少させ、次の駆動開始タイミングまで圧電素子の電圧を一定に保つように構成された駆動制御手段を備える圧電ポンプ装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子を有するダイアフラムを備えた圧電ポンプと、
前記圧電ポンプを駆動する駆動手段と、
２つの矩形波駆動信号を前記駆動手段に供給して前記駆動手段の動作を制御する制御手段と、を備えた圧電ポンプ装置であって、
前記駆動手段は、前記圧電素子の駆動開始時に正方向または負方向に一定の傾きで駆動電流を増加させるとともに、前記圧電素子の電圧が所定の電圧に近づいたとき、前記圧電素子の充放電電流を緩やかに減少させ、次の駆動開始タイミングまで前記圧電素子の電圧を一定に保つように構成された駆動制御手段を備える圧電ポンプ装置。
【請求項２】
前記駆動制御手段は、前記圧電ポンプに正方向に定電流を供給する第１定電流回路と、前記圧電ポンプに負方向に定電流を供給する第２定電流回路と、前記第１定電流回路および前記第２定電流回路の定電流量を制御する電流制御手段と、を備える圧電ポンプ装置。
【請求項３】
前記第１定電流回路および前記第２定電流回路のそれぞれは、トランジスタと前記トランジスタのエミッタに接続された抵抗器とを備え、
前記電流制御手段は、前記トランジスタのベースに直列に接続され、充電された電圧に応じて、一定の割合にて前記定電流量を制御するコンデンサである請求項２記載の圧電ポンプ装置。
【請求項４】
圧電素子を有するダイアフラムを備えた圧電ポンプと、前記圧電ポンプを駆動する駆動手段と、２つの矩形波駆動信号を前記駆動手段に供給して前記駆動手段の動作を制御する制御手段と、を備えた圧電ポンプ装置の駆動方法であって、
前記圧電素子の駆動開始時に正方向または負方向に一定の傾きで駆動電流を増加させるステップと、
前記圧電素子の電圧が所定の電圧に近づいたとき、前記圧電素子の充放電電流を緩やかに減少させるステップと、
次の駆動開始タイミングまで前記圧電素子の電圧を一定に保つステップと、を備える圧電ポンプ装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電ポンプ装置および圧電ポンプ装置の駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイアフラム型のポンプでは、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸亜鉛）のような圧電素子を有するダイアフラムを備えた圧電ポンプが提案されている。
【０００３】
圧電ポンプは、筐体内にポンプ室を設け、その壁面の一部をダイアフラムにて構成し、かつポンプ室に臨ませて吸水弁と排水弁を配設するとともに、それぞれ吸水口と排水口に連通させて構成されている。
【０００４】
ダイアフラムは、例えば、電極を兼ねた金属薄板の間に圧電素子を積層した積層体を備え、圧電素子に対して交流電圧を印加すると、ダイアフラムが揺動してポンプ室の容積が変化し、ポンプとしての機能を発揮する。
【０００５】
従来、圧電ポンプの駆動周波数の信号を変調器にて高周波数の搬送波をＡＭ変調し、その変調波信号を復調して圧電ポンプの駆動信号とした圧電ポンプの駆動方法が提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−３３９８７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
圧電素子への印加電圧と変位量との関係はヒステリシス特性を有するが、圧電素子への注入電荷量と変位量とについては比例関係となる。したがって、圧電素子の変位量を制御するためには、注入電荷量にて制御することが容易である。
【０００８】
よって、圧電素子に対し時間に対して一定の電荷量を供給、すなわち時間に対する電荷量（ｄＱ／ｄｔ）を一定として駆動すると、圧電素子の変位量を等速とするよう制御することが可能である。しかし、実際に上記のように圧電素子の制御を実施する場合、駆動開始時にステップ状の駆動電流を与えることになる。
【０００９】
一方、ステップ入力に対する圧電素子の変位量は振動的になる。したがって、時間に対する電荷量（ｄＱ／ｄｔ）が大きい場合には、圧電素子に振動が発生し、駆動周波数が可聴域である場合には騒音の原因となることがあった。駆動電流値を下げて時間に対する電荷量（ｄＱ／ｄｔ）をさげると、騒音は低減されるが、ポンプとしての流量、圧力が低下することとなる。
【００１０】
上記文献に開示された技術は、圧電素子の駆動電圧波形がＣＲ充電曲線であり、駆動電流が急峻に立ち上がって尖塔値が制限されるため、圧電素子の変位開始時の加速度を制御することができず、圧電素子の変位による騒音の発生を抑制することが困難であった。
【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであって、圧電素子の変位時の加速度を制御して騒音の発生が抑制された圧電ポンプ装置および圧電ポンプ装置の駆動方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１態様による圧電ポンプ装置は、圧電素子を有するダイアフラムを備えた圧電ポンプと、前記圧電ポンプを駆動する駆動手段と、２つの矩形波駆動信号を前記駆動手段に供給して前記駆動手段の動作を制御する制御手段と、を備えた圧電ポンプ装置であって、前記駆動手段は、前記圧電素子の駆動開始時に正方向または負方向に一定の傾きで駆動電流を増加させるとともに、前記圧電素子の電圧が所定の電圧に近づいたとき、前記圧電素子の充放電電流を緩やかに減少させ、次の駆動開始タイミングまで前記圧電素子の電圧を一定に保つように構成された駆動制御手段を備える圧電ポンプ装置である。
【００１３】
本発明の第２態様による圧電ポンプ装置の駆動方法は、圧電素子を有するダイアフラムを備えた圧電ポンプと、前記圧電ポンプを駆動する駆動手段と、２つの矩形波駆動信号を前記駆動手段に供給して前記駆動手段の動作を制御する制御手段と、を備えた圧電ポンプ装置の駆動方法であって、前記圧電素子の駆動開始時に正方向または負方向に一定の傾きで駆動電流を増加させるステップと、前記圧電素子の電圧が所定の電圧に近づいたとき、前記圧電素子の充放電電流を緩やかに減少させるステップと、次の駆動開始タイミングまで前記圧電素子の電圧を一定に保つステップと、を備える圧電ポンプ装置の駆動方法である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、圧電素子の変位時の加速度を制御して騒音の発生が抑制された圧電ポンプ装置および圧電ポンプ装置の駆動方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態にかかる圧電ポンプ装置を備える燃料電池モジュールの一構成例を説明するための図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる圧電ポンプ装置の一構成例を説明するための図である。
【図３】図２に示す圧電ポンプ装置の圧電ポンプの一構成例を説明するための断面図である。
【図４】図２に示す圧電ポンプ装置の動作の一例を説明するためのタイミングチャートである。
【図５】図２に示す圧電ポンプ装置の動作の一例を説明するための図である。
【図６】圧電素子に印加される電圧と、圧電素子の変位量との関係の一例について説明するための図である。
【図７】電圧素子への注入電荷量と、圧電素子の変位量との関係の一例について説明するための図である。
【図８】ステップ状の駆動電流を供給したときの圧電素子の変位量の時間変化の一例について説明するための図である。
【図９】圧電素子の駆動電流による、圧電素子の注入電荷量および変位量の変化について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施形態に係る圧電ポンプ装置を備えた燃料電池モジュールについて、詳細に説明する。本実施形態に係る圧電ポンプ装置は、圧電素子を備えるダイアフラム型ポンプ装置である。
【００１７】
本実施形態では、図２に示す圧電ポンプＰ１の駆動電流に一定の傾きを設けることで注入電荷量を時間軸に対し定加速度曲線となるよう制御して、圧電素子の急激な変動を抑え変位開始時の加速度を制御することで圧電素子の変位開始時を滑らかに制御し、時間に対する電荷量（ｄＱ／ｄｔ）を徐々に増加させることで、燃料の流量および圧力を低下させることなく圧電ポンプの騒音を抑制している。
【００１８】
以下、具体的に本実施形態に係る電圧ポンプ装置を備えた燃料電池モジュールについて説明する。図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池モジュールは、燃料電池セルＢＴと、燃料電池セルＢＴに供給される燃料が貯えられる燃料タンク１０と、燃料タンク１０内の燃料を燃料電池セルＢＴへ送出する圧電ポンプ装置２０と、を備えている。
【００１９】
圧電ポンプにより燃料タンク１０から燃料電池セルＢＴへ送出された燃料は、燃料電池セルＢＴとポンプ３０との間を循環する循環経路に供給される。燃料はポンプ３０により循環経路内を循環し、濃度の調整が成される。
【００２０】
循環経路を循環する燃料は、燃料電池セルＢＴの燃料極（アノード）（図示せず）に供給される。燃料電池セルＢＴの空気極（カソード）（図示せず）には空気が供給され、空気に含まれる酸素と燃料との反応により電力が得られる。
【００２１】
圧電ポンプ装置２０の動作は、制御部ＣＴＲによって制御される。制御部ＣＴＲは、燃料電池セルＢＴの出力電流や温度等の値を取得し、圧電ポンプ装置２０の動作を制御している。図２に、圧電ポンプ装置２０の一構成例を示す。圧電ポンプ装置２０は、圧電ポンプＰ１と、圧電ポンプＰ１を駆動する駆動部２２とを備えている。
【００２２】
図３に示すように、圧電ポンプＰ１は、ダイアフラム型のポンプであって、燃料タンク１０から燃料が注入される燃料注入口Ｐｉｎと、燃料注入口Ｐｉｎに連通するポンプ室Ｐｒと、ポンプ室Ｐｒに連通して燃料電池セルＢＴへ燃料が排出される燃料排出口Ｐｏｕｔと、ポンプ室Ｐｒ内に配置されたダイアフラムＤｐと、を備えている。
【００２３】
ダイアフラムＤｐは圧電素子を有し、圧電素子を充電または放電することにより、燃料が注入される方向または燃料が排出される方向に変位する。燃料注入口Ｐｉｎには、ポンプ室Ｐｒの手前に弁Ｐｖが配置されている。弁Ｐｖは、燃料注入口Ｐｉｎからポンプ室Ｐｒへ燃料が注入されるときに開き、ポンプ室Ｐｒから燃料注入口Ｐｉｎ側に燃料が逆流することを防いでいる。
【００２４】
制御部ＣＴＲは、２つの矩形波駆動信号Ｖ１、Ｖ２を駆動部２２に供給する。駆動部２２は、２つの駆動波形信号Ｖ１、Ｖ２により圧電素子への駆動電流を制御するとともに、圧電素子の駆動開始時に、正方向または負方向に一定の傾きで増加する駆動電流Ｉｐを供給するように構成されている。
【００２５】
すなわち、駆動部２２は、圧電ポンプＰ１に正方向に定電流を供給する第１定電流回路ＣＡと、圧電ポンプＰ１に負方向に定電流を供給する第２定電流回路ＣＢと、第１定電流回路ＣＡおよび第２定電流回路ＣＢの定電流量を制御する電流制御手段と、を備えている。
【００２６】
第１定電流回路ＣＡおよび第２定電流回路ＣＢのそれぞれは、トランジスタＱ１、Ｑ２とトランジスタＱ１、Ｑ２のエミッタに接続された抵抗器Ｒ２、Ｒ３とを備えている。電流制御手段は、トランジスタＱ１のベースに直列に接続され、充電された電圧に応じて、一定の割合にて定電流量を制御するコンデンサＣ１、Ｃ２である。
【００２７】
図２に示すように、駆動部２２には電源電圧Ｖｃｃが供給されている。圧電ポンプＰ１は、グラウンド電位に対し電位Ｖｄ（＝Ｖｃｃ／２）[Ｖ]だけオフセットされた電圧Ｖｄ[Ｖ]を中心として、±Ｖｄ[Ｖ]にて駆動される。なお、図２では、電流Ｉｐ、電圧Ｖｐを示す矢印方向を正方向としている。
【００２８】
したがって、トランジスタＱ１および抵抗器Ｒ２は、駆動電流Ｉｐを正方向の流す第１定電流回路ＣＡであって、トランジスタＱ２および抵抗器Ｒ３は、駆動電流Ｉｐを負方向に流す第２定電流回路ＣＢである。
【００２９】
第１定電流回路ＣＡおよび第２定電流回路ＣＢの定電流量（トランジスタＱ１およびトランジスタＱ２のコレクタ電流）は、コンデンサＣ１、Ｃ２の充電電圧により制御され、一定の割合にて駆動電流Ｉｐを変化させるよう制御される。
【００３０】
図２に示す駆動部２２の動作状態を、図４に示す状態１〜状態１０の１０段階に分け、図５に示すように回路動作の遷移をまとめている。この図５示す状態遷移表に基づいて、以下に駆動部２２の動作について説明する。
【００３１】
状態１は初期状態であり、トランジスタＱ１およびトランジスタＱ２が両方オフ状態であり、圧電ポンプＰ１の充放電動作状態ではなく動作停止状態である。
【００３２】
次に電圧Ｖ２がローレベル（Ｌ）となることにより、状態２に移行する。ここで圧電ポンプＰ１の駆動が開始される。状態２では、トランジスタＱ４によるコンデンサＣ２のショート状態は解除され、コンデンサＣ２は電圧Ｖｃｃより抵抗器Ｒ４を介して充電される。
【００３３】
このときコンデンサＣ２の端子電圧が直線状に上昇を開始するため、駆動電流Ｉｐは負方向に直線的に上昇を開始する。よって圧電ポンプＰ１のダイアフラムＤｐは、電気的には容量性のため端子電圧Ｖｐの値が、二次関数曲線状に０から−Ｖｄへ向けて負方向に上昇する。
【００３４】
これにより圧電ポンプＰ１のダイアフラムＤｐは、定加速度にて負方向の変位を開始する。端子電圧Ｖｐが負方向に上昇し所定の電圧となると、やがてトランジスタＱ２のコレクタ−エミッタ間電圧は飽和電圧に至る。そのため駆動電流Ｉｐを直線的に増加させることが出来なくなり、状態３へ移行する。
【００３５】
状態３では、駆動電流Ｉｐの制御にトランジスタＱ２が関与しないため、駆動電圧Ｖｄ供給端子から圧電ポンプＰ１へ、電圧ポンプＰ１から抵抗器Ｒ３へという充電経路となり、駆動電流Ｉｐは抵抗器Ｒ3により制限されながらネイピア数ｅを底とする指数関数（ｅｔ）曲線状に徐々に減少する。よって端子電圧Ｖｐも指数関数（ｅｔ）曲線状に電位−Ｖｄへ漸近し、圧電ポンプＰ１のダイアフラムＤｐの変位は徐々に停止へ至る。
【００３６】
次に状態４に移行すると、圧電ポンプＰ１のダイアフラムＤｐの変位は停止し、圧電ポンプＰ１には−Ｖｄが印加された状態であるため圧電ポンプＰ１のダイアフラムＤｐの変位は負方向の位置にて一定に保たれる。
【００３７】
状態４から、電圧Ｖ２をハイレベル（H）に変化させることにより、状態５に移行する。状態５はトランジスタＱ２がオン状態のときに、トランジスタＱ１が動作開始しないようにするためのデッドタイムである。したがって、状態５では、電圧Ｖ１および電圧Ｖ２の両方がハイレベル（Ｈ）となる。
【００３８】
よって状態５は他の期間よりも非常に短く、トランジスタＱ１、トランジスタＱ２がともにオフ状態でも圧電ポンプＰ１の圧電素子に蓄積されている電荷の自己放電は、非常に小さく、圧電ポンプＰ１のダイアフラムＤｐの変位量は状態４のまま維持される。
【００３９】
状態１〜状態５の期間、ハイレベル（Ｈ）であった電圧Ｖ１がローレベル（Ｌ）状態となると状態６へ移行する。状態６ではコンデンサＣ１のトランジスタＱ３によるショート状態は解除され、コンデンサＣ１は電源電圧Ｖｃｃより抵抗器Ｒ１を介して充電を開始される。
【００４０】
このときコンデンサＣ１の端子電圧が直線的に上昇を開始するため、駆動電流Ｉｐも直線的に正方向に上昇を開始する。よって圧電ポンプＰ１のダイアフラムＤｐは電気的には容量性のため、端子電圧Ｖｐは電圧−Ｖｄから電圧Ｖｄへ正方向に二次関数曲線状に上昇する。
【００４１】
これにより圧電ポンプＰ１のダイアフラムＤｐの変位は定加速度にて正方向に変位を開始する。端子電圧Ｖｐが正方向の電圧Ｖｄ付近に上昇していくとやがてトランジスタＱ１のコレクタ−エミッタ間電圧は飽和電圧に至るため、駆動電流Ｉｐを直線的に増加させることが出来なくなり状態７へ移行する。
【００４２】
状態７では駆動電流Ｉｐの制御にトランジスタＱ１が関与できないため、電源電圧Ｖｃｃ供給端子から抵抗器Ｒ２へ、抵抗器Ｒ２から圧電ポンプＰ１へ、圧電ポンプＰ１から電圧Ｖｄ供給端子へという充電経路となり、駆動電流Ｉｐは指数関数（ｅｔ）曲線状に徐々に減少する。よって圧電ポンプＰ１のダイアフラムＤｐの変位も徐々に停止に至る。
【００４３】
次に状態８は状態７の延長であり、駆動電流Ｉｐは０（ゼロ）である。但し圧電ポンプＰ１には電圧Ｖｄが印加された状態であるため、圧電ポンプＰ１のダイアフラムＤｐの変位は正方向のある位置にて一定に保たれる。
【００４４】
状態８から、電圧Ｖ１をハイレベル（Ｈ）に移行することにより、状態９に移行する。状態９はトランジスタＱ１がオン状態のときにトランジスタＱ２が動作開始しないようにするためのデッドタイムである。したがって、状態９では、電圧Ｖ１および電圧Ｖ２の両方がハイレベル（Ｈ）となる。
【００４５】
よって状態９の期間は他の期間よりも非常に短くすることができ、トランジスタＱ１、トランジスタＱ２がともにオフ状態でも、圧電ポンプＰ１の圧電素子に蓄積されている電荷の自己放電量は非常に小さいため圧電ポンプＰ１の圧電素子ダイアフラムの変位量は状態８のまま維持される。状態９から電圧Ｖ２がローレベル（Ｌ）へ引き下げられると、状態２と同様の動作となる。
【００４６】
ここで、例えば、ステップ入力に対する圧電素子の変位量は図７に示すように振動的になるため、時間に対する電荷量（ｄＱ／ｄｔ）が大きい場合には、圧電素子に振動が発生し、駆動周波数が可聴域である場合には騒音の原因となることがあった。
【００４７】
これに対し、本実施形態に係る圧電ポンプ装置では、ダイアフラムＤｐの変位を定加速度にて開始させることができ、また緩やかに停止させることができる。図９に示すように、圧電素子の駆動電流Ipを直線的に増加させると、圧電素子に供給される注入電荷量Ｑｐが緩やかな曲線状に増加する。圧電素子の変位量ｄｌは、図７に示すように注入電荷量Ｑｐに比例するため、圧電素子の変位量ｄｌも緩やかに増加することになる。
【００４８】
さらに、図９に示すように、圧電素子の駆動電流Ipを曲線的に減少させると、圧電素子に供給される注入電荷量Ｑｐの変化量が緩やかに減少する。したがって、圧電素子の変位量ｄｌも緩やかに減少する。
【００４９】
具体的には、電圧Ｖ１および電圧Ｖ２を交互にローレベル（Ｌ）とすることにより、第１定電流回路ＣＡおよび第２定電流回路ＣＢから出力される電流を制御し、圧電素子の駆動電流を、駆動開始後に直線的に正方向あるいは負方向に増加させ、所定の値になった後に曲線的に減少させる。
【００５０】
このことにより、変位開始時および変位終了時における圧電素子の変位量を滑らかに制御し、ポンプ動作音を可聴レベル以下に抑えることができる。
【００５１】
すなわち、本実施形態に係る圧電ポンプ装置を備えた燃料電池モジュールによれば、圧電素子の駆動時に発生する圧電素子容量による充放電電流増加時の傾きを一定とし、減少時は時定数曲線となるよう矩形波印加時の駆動電流を制御する手段により、従来方式である正弦波電圧駆動方式を用いることなく騒音を著しく低減することができた。
【００５２】
また、上記の圧電ポンプ装置２０では、電流制御のタイミングは矩形波印加電圧の立ち上がり立下り時の過渡区間のみであるため、駆動部２２における電力損失を正弦波電圧駆動方式に比べて少なくすることができる。
【００５３】
さらに、圧電ポンプＰ１の吸い込み、吐き出し時において正弦波駆動電圧印加時よりも大きな流体に加速度を与えることが出来るため、同じ駆動電圧振幅の正弦波電圧駆動時よりも大きなポンプ流量を得ることできる。
【００５４】
また、矩形波状のパルス信号（電圧Ｖ１、Ｖ２）単位により圧電素子を制御可能なため、制御部ＣＴＲからの出力信号による流量制御が容易になった。
【００５５】
なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。例えば、上記実施形態では、圧電ポンプＰ１を駆動する駆動部２２は、片電源（Ｖｃｃ）であったが、２つの電源を用いて駆動しても良い。その場合は正極側の電源と負極側の電源とを別々に用意して、それぞれの定電流回路に電源電圧を供給する。このような場合であっても上述の実施形態に係る圧電ポンプ装置と同様の効果を得ることができる。
【００５６】
また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００５７】
Ｐ１…圧電ポンプ、ｄｌ…変位量、ＣＴＲ…制御部、Ｄｐ…ダイアフラム、ＣＡ…第1定電流回路、ＣＢ…第２定電流回路、Ｖ１、Ｖ２…矩形波駆動信号、２０…圧電ポンプ装置、２２…駆動手段（駆動部）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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